在物理實(shí)驗(yàn)中引入通用數(shù)據(jù)采集器搭建自組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究

秦艷芬 王洪濤 章國榮 賴?yán)蝻w 金淑華 金丹青

(寧波工程學(xué)院理學(xué)院,浙江寧波 315016)

在物理實(shí)驗(yàn)中引入通用數(shù)據(jù)采集器搭建自組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究

秦艷芬 王洪濤 章國榮 賴?yán)蝻w 金淑華 金丹青

(寧波工程學(xué)院理學(xué)院,浙江寧波 315016)

文章以集成霍爾傳感器特性研究實(shí)驗(yàn)為例,介紹在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入通用數(shù)據(jù)采集器搭建自組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的具體應(yīng)用.實(shí)驗(yàn)中所用設(shè)備都為傳統(tǒng)通用設(shè)備,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直接由計(jì)算機(jī)顯示,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為 Excel文檔,利于數(shù)據(jù)處理、分析.既保留了傳統(tǒng)儀器的所有功能,又增加了現(xiàn)代測(cè)量手段的自動(dòng)采集、顯示、分析功能.培養(yǎng)學(xué)生把多種物理知識(shí)交叉使用來解決實(shí)際問題.

物理實(shí)驗(yàn);通用數(shù)據(jù)采集器;自組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)中的廣泛應(yīng)用,使用現(xiàn)代測(cè)量手段、先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置,是社會(huì)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出的新要求.計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué),已是現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的方向之一.前些年,國內(nèi)一些用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制、采集、記錄、分析的物理實(shí)驗(yàn)儀器也應(yīng)運(yùn)而生,如光柵光譜儀等,并在許多高校用于教學(xué)中.這些儀器的特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)的軟硬件都由計(jì)算機(jī)控制,實(shí)驗(yàn)過程由鼠標(biāo)控制完成.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集手段是先進(jìn)了,但這種一體化的實(shí)驗(yàn),學(xué)生既觀察不到物理現(xiàn)象的發(fā)生,也不能操作儀器,學(xué)生只能從計(jì)算機(jī)顯示器上觀察到結(jié)果,作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)大大地削弱了學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)觀察能力的訓(xùn)練.

將通用數(shù)據(jù)采集器引入物理實(shí)驗(yàn),由計(jì)算機(jī)、通用數(shù)據(jù)采集器、傳統(tǒng)儀器并結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)構(gòu)成,可有效地解決現(xiàn)代測(cè)量手段與增強(qiáng)動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)觀察能力這一矛盾.本文以通用數(shù)據(jù)采集器在集成霍耳傳感器特性研究應(yīng)用中的內(nèi)容之一為例,介紹自組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建、實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集及分析的全過程.

2 實(shí)驗(yàn)介紹

2.1 儀器介紹

1)通用數(shù)據(jù)采集器

在實(shí)驗(yàn)中我們采用的是國產(chǎn)Lab Corder數(shù)據(jù)采集分析控制儀,A/D采集卡設(shè)置為:雙端輸入;雙極性;量程±5V.該儀器同時(shí)采集的兩個(gè)通道分別設(shè)為X通道(CH1)和 Y通道(CH2).

2)集成霍耳傳感器

SS495A型集成霍耳傳感器(線性測(cè)量范圍0～67mT,靈敏度31.25V/T)由霍耳元件,放大器和薄膜電阻剩余電壓補(bǔ)償器組成(圖1).工作電壓VS=5V,在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí),輸出電壓為Uo≈2.5V伏.它的輸出電壓U與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系式為式(1),關(guān)系曲線如圖2所示.

圖1 SS495A型集成霍耳傳感器

圖2 輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系圖

式中,U為集成霍耳傳感器輸出電壓;K為該傳感器的靈敏度.

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)是測(cè)量SS495A型集成霍耳傳感器霍耳電壓與所在磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)需要提供產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的磁場(chǎng);提供霍耳傳感器的工作電壓;同時(shí)為了使得所測(cè)量霍耳傳感器輸出電壓即為霍耳電壓,則必須做到霍耳傳感器在工作電壓VS=5V,磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí),霍耳傳感器輸出電壓為Uo=0,這樣U-Uo=UH.這需做補(bǔ)償電路使得原Uo≈2.5V被補(bǔ)償.

分析上述實(shí)驗(yàn)要求,自組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要:由通電螺線管提供產(chǎn)生磁場(chǎng),由直流恒流源提供勵(lì)磁電流;由直流穩(wěn)壓源提供霍耳傳感器的工作電壓;直流分壓器提供補(bǔ)償電路.

實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)如圖3.實(shí)驗(yàn)中對(duì)霍耳電壓的測(cè)量采集可直接進(jìn)采集器,實(shí)驗(yàn)中直流分壓盒的中點(diǎn)即為霍耳電壓的低電位端,OU T為高電位端.對(duì)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的采集是通過對(duì)勵(lì)磁電流的采集,而數(shù)據(jù)采集器只能對(duì)電壓采集,所以這里對(duì)勵(lì)磁電流的采集是通過電流上電阻兩端的電壓的采集而得到(電流-電壓轉(zhuǎn)換).

圖3 霍耳電壓UH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B關(guān)系測(cè)量電路

2.3 采集結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集器采樣率為10次/s,橫、縱坐標(biāo)顯示量分別為勵(lì)磁電流和霍耳電壓,采集的結(jié)果如圖4所示.

圖4 數(shù)據(jù)采集器采集結(jié)果

將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出(有導(dǎo)出功能),導(dǎo)出數(shù)據(jù)即為excel文檔,數(shù)據(jù)處理分析非常方便.直接由I=U/R式計(jì)算出X通道采集量所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流值;Y軸對(duì)應(yīng)霍耳電壓值;已知當(dāng) IM=0.1A時(shí),B=1.4366mT,通過計(jì)算可得該實(shí)驗(yàn)勵(lì)磁電流下所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B值;根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪出傳感器霍耳電壓與所在磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系特性曲線(圖5);通過最小二乘法線性擬合得到U=31.26B-0.00,相關(guān)系數(shù)為0.9999,由此得到霍耳傳感器靈敏度為 31.26V/T,與參考值31.25V/T比較,百分誤差為0.04%;所得特性曲線與參考圖(圖2)比較有很好的符合.

圖5 霍耳電壓UH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B關(guān)系

3 結(jié)論

用通用數(shù)據(jù)采集器搭建的自組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成“集成霍耳傳感器特性研究實(shí)驗(yàn)”,實(shí)驗(yàn)中所用設(shè)備都為傳統(tǒng)通用設(shè)備.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直接由計(jì)算機(jī)顯示,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為excel文檔,利于數(shù)據(jù)處理、分析.既保留了傳統(tǒng)儀器的所有功能,又增加了現(xiàn)代測(cè)量手段的自動(dòng)采集、顯示、分析功能,較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式靈活方便,且接近現(xiàn)代科研生產(chǎn)需要,培養(yǎng)學(xué)生把多種物理知識(shí)交叉使用來解決實(shí)際問題的動(dòng)手能力.

實(shí)驗(yàn)課上測(cè)試儀器由學(xué)生自搭完成,學(xué)生用自搭的實(shí)驗(yàn)儀器完成實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量,既培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力,又訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維,同時(shí)增加了知識(shí)技能的通用性和實(shí)用性,也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,受到學(xué)生和教師的歡迎.

[1] 傅敏學(xué),張連芳,劉瀅瀅,開設(shè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系列實(shí)驗(yàn)提升物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2006,23

[2] 王云,李長江.PN結(jié)正向壓降與溫度的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理[J].物理與工程,2001,269

[3] 王瑗,余建波,趙鐵松.計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理,2007,26

[4] 王云,李長江,李寶河.半導(dǎo)體熱電特性綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)[J].物理實(shí)驗(yàn),2005,515

[5] 王云,等.基于虛擬儀器技術(shù)的真實(shí)傳感器實(shí)驗(yàn)[J].物理與工程,2005.教育部課指委全國物理教學(xué)會(huì)2005,優(yōu)秀論文

[6] 王云,李長江,李寶河.半導(dǎo)體熱電特性綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)[J].物理實(shí)驗(yàn)2005.515

STUDY ON BUILDING SELF-PREPARED EXPERIMENT PLATFORM IN PHYSICS EXPERIMENT BY INTRODUCING OF THE UNIVERSAL DATA ACQUISITION

Qin Yanfen Wang Hongtao Zhang Guorong Lai Lifei Jin Shuhua Jin Danqing
(College of Science,Ningbo University of Technology,Ningbo,Zhejiang 315016)

In this work,we took the study of integrated Hall sensor experiments as an example.We presented the introduction of the universal data acquisition to build self-prepared experiment platform for specific application in physics experiment teaching,whose equipments were all the traditional general-purpose equipments.By used the system,we can obtain that experimental phenomenon can be directly displayed on the computer and large amount of experiment data can be collected and exported as excel format document.The system not only can retain all the functionality of traditional equipments,but also increase the means of modern measurement such as the automatic acquisition,display and analysis functions.This system can also train students to use a variety of physical knowledge to solve practical problems.

physical experiment;universal data acquisition;self-prepared experiment platform

2011-01-27)

此項(xiàng)目為浙江省2010年度教育規(guī)劃課題.課題編號(hào)為SCG415

秦艷芬,1959年出生,女,遼寧遼陽,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,本科,物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).